Размышления по Гаусс гану.
(Что делать?)

Статейка посвящена GAUSS гун так сказать. Да и вообще будет встречаться куча позновательного материала.

Немного лирики… Линейный электромагнитный ускоритель это электромагниты поставленные в один ряд. И таких магнитов может быть не ограниченное количество. Это нам понятно, но имеет ли смысл ставить гиганское количество магнитов? Да нихрена! Обьяснить это можно просто! Электро двигатель разгоняется до своей номинальной скорости в считанные секунды, а потом работает с одной и той же номинальной угловой скоростью. Много ступенчатый гаусс это тот же электродвигатель блин. А из курса физики 7 класс нам известно, что эл. двигатель обладает 98%КПД. Чтож получается??? А мы тут бьёмся над какими то 1-3% и не можем больше добиться!? МОЖЕМ! Просто нужно делать больше ступеней, но не слишком много. Обьяснить это просто снаряд наш имеет некоторую массу. Нам известно, что тело такое обладает потенциальной энергией и чем резче мы пытаемся его сдвинуть с места, тем больше оно нам сопротивляется F=-F. Фигня выходит! Катушка небольшой длинны и как же нам разогнать до значительной скорости наш снаряд при сравнительно малых затратах энергии??? Да ни как! Нам ещё придётся преодолевать энергию трения. Не плохо было бы смазать ствол и снаряд маслецом! К чему мы пришли! К тому, что в первой катушке мы очень много энергии теряем в пустую, по этой причине у нас такой малый КПД! Электродвигатель сравнительно быстро набирает обороты и работает сравнительно с большим КПД. Нам необходимо строить гаусс из нескольких катушек, если хотим чего то добиться! Преодолев всё это мы спокойно можем разгонять наш снаряд до любой скорости при сравнительно малых затратах. Но не тут то было у нас электродвигатели работают с определённой угловой скоростью, которую можно повышать или уменьшать меняя напряжение питания. Попытаемся разобраться что происходит! Катушка имеет сопротивление и напряжение у нас приложено к нашей катушке определённое а нам известно что I=U/R следовательно если у нас много одинаковых катушек, то мы будем иметь одинаковую картину в каждой катушке. Предположим ситуацию в которой у нас безконечно длинная труба на которой безконечное число катушек (одинаковых). В этом случае у нас снаряд очень быстро достигнет своеё максимальной скорости и не быдет больше разгоняться, будет двигаться по нашей трубе с постоянной скоростью (такое происходит в электродвигателе). Но он будет двигаться с большей скоростью, чем такой же эл двигатель будет развивать. Это понять просто т.к. нашей пульке не будет мешать гравитационные силы, которые возникают у эл. двигателе при вращении. Нашей пульке будет мешать воздух внутри трубы и трение. По этой причине нам не удасться разогнать нашу пульку до скоростей близких скорости света, но это только пока. Ладно пока упустим момент трения и сопротивление воздуха. Будем усиливать наш двигатель до максимально возможного. Для этого нам нужно усилить плотность магнитного поля (для лучшего втягивания нашей пульки) Можно повысить напряжение на катушках, либо уменьшить их сопротивление. Каждый может выбрать свой способ. Я предпочёл уменьшать сопротивление катушки. На мой взгляд это проще осуществить (эфекта больше I=U/R и напряжения легче подобрать), в теории еслиб мы обладали сверхпроводниковым проводом, то можно было бы питать нашу систему на прямую от акумулятора в паре соеденённого с конденсатором 12В. Но при этом не имеет смысла уменьшать сопротивление всех катушек в одинаковой степени. Нам надо строить катушки ступеньками (ёлочкой), с каждой очередной катушкой уменьшать её сопротивление. Разность в сопротивлении между катушками можно вычислить, оно будет зависить от массы снаряда, напряжения, диаметра и ещё некоторых величин. Это нужно для постепенного ускорения снаряда. Иначе можно не менять сопротивление катушек, а менять ёмкость конденсаторов. Для нас это пока не существонно, это нужно для максимального КПД. Нам же нужно хоть как то, для начала, построить многоступенчатую гаусску. У нас получится менее эффективная чем по расчётам и эффективней той что могли бы получить с одинаковыми сопротивлениями катушек. Изменять сопротивление просто. Нет нам не нужно меньше матать провода. Катушка сохраняет свои размеры, но провод нужно брать толще! Катушки у нас будут питаться на прямую от сети 220 вольт. Ток в сети (импульсный) может достигать огромных величин, но за очень короткий промежуток времени!!!, в противном случае сгорит проводка ге ге ге. Ток будет увеличиваться по ходу катушек (толщина) и уменьшаться время импульса, прям как в сказке, но на самом деле придётся поебаться и подогнать сопротивления катушек. Я думаю это не плохо для начала, но в нашем случае он не будет превышать 30-60А. т.к. катушки имеют сопротивление и ключи с проводами. Нам этого будет достаточно, поверьте! В качестве ключей лучше использовать схему ИК датчика и теристора. Для повышения эфективности теристор подключим через диодный мост и сгладим пульсацию кондёром небольшой ёмкости. С теристором это тоже только начальный вариант. Для увеличения скорости нам придётся найти альтернативу. Всёж в сети пыльсация 50 Герц. А нам нужен постоянный ток. По началу эта пульсация не сильно будет заметна (на малых скоростях). Катушка подбирается эмпирически. Но не забывайте первая катушка должна быть с сопротивлением 20-30 Ом. Скорость снаряда маленькая по началу и нам нужно подобрать оптимальный вариант по времени между разгоном снаряда и сгоранием теристора! Понижать сопротивление например так 1кат.-30 2кат.-20 3кат.-10 4 кат.-5 5кат.-3 Ом. С каждой катушкой уменьшается время прохода и меньше вероятность сгорания, плюс повышение магнитной плотности. Катушки следует делать чуть длиньше чем снаряд (для нашего случия). Прежде чем приступать к изготовлению многоступенчатой советую попрактиковаться с одноступенчатой!

В одноступенчатой я хороших результатов добился благодаря катушке толстого провода! Напряжение я не имел возможности повышать до 300-600 вольт, по этой причине пришлось довольствоваться с220-250вольтами. Чтоб развить большую плотность магнитного потока пришлось делать толстые провода в катушке. Но так как я в качестве питания использовал конденсаторы, а на толстой обмотке такие быстро подыхают. Мне пришлось делать катушку большего сопротивления и конденсаторы большей ёмкости. Для этих целей хорошо подошла алюминеевая проволока, она имеет большее сечение и большее сопротивление к сравнению с медной. По этой причине удалось добиться большей плотности внутри катушки магнитного потока. Оставалось только подбирать конденсаторы нужной ёмкости! Результаты меня впечатлили и я решил это дело продолжать и заняться многоступенчатой.

Одноступенчатую я питал от батареи конденсаторов

Как видно из рисунка 5 кондёров по 300В и 800микрофарад. Их нужно соеденять толстыми проводами для максимальной скорости отдачи энергии. По крайней мере провода должны быть не тоньше провода самой катушки!

Немного поигравшись одноступенчатыми я пришел к заключению (описывалось выше). Да надо строить больше ступеней! Проблемка маленькая… источник питания. Для моей гауски понадобиться тележка конденсаторов! По этой причине я начал эксперементя с питанием от сети 220В. Для этого, я немного покапавшись в старом железе, взял катушечку.

Не плохая катушечка! 24В ей надо, но кратковременно можно питать и 220В. Она от старого бабинника и работает на втягивание сердечника. Выкрутив из неё всё лишнее и вставив пустой корпус от ручки я получил поле для эксперементов! Пулял гвоздиком. Замыкал и размыкал в ручную, по этой причине у меня раза на раз не приходился выстрел (то летело в одну, то в другую сторону). Проверял на листке бумаги. Пулька без труда проходит на вылет лист тетради.

Источники питания:

Допустим у нас всё же будет переносная модель и конденсаторы будут неизбежны. По этой причине нам нужно подумать чем заряжать наши конденсаторы. Есть варианты, но все варианты у нас будут называться батареями электропитания.

БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ, автономный источник постоянного тока, не связанный с машинным электрогенератором. Представляет собой преобразователь энергии в виде одного или нескольких элементов питания, не имеющий движущихся частей. Батареи электропитания преобразуют в электричество химическую, солнечную или ядерную энергию.

Батарея электропитания - удобный переносный источник электроэнергии. Поэтому круг ее возможных применений практически не ограничен. Батареи электропитания используются в качестве источников питания для электросхем в автомобилях, двигателей электрокаров и электропогрузчиков. Они служат источниками питания для контрольно-измерительной аппаратуры, телеметрических и других систем искусственных спутников Земли, межпланетных космических станций, многоразовых воздушно-космических аппаратов. В своей повседневной жизни мы пользуемся батареями электропитания в аудио- и видеоаппаратуре, такой, как портативные радиоприемники и телевизоры, в электродрелях и электропилах, фотоаппаратах и кинокамерах, электробритвах, игрушках, слуховых аппаратах, электронных часах, калькуляторах и другом оборудовании.

Основные характеристики батареи электропитания - электродвижущая сила (ЭДС), предельная сила тока и емкость в ампер-часах. ЭДС одного элемента батареи составляет ок. 1,5 В. Чтобы получить более высокое напряжение (до нескольких сот вольт), нужное число элементов соединяют последовательно. Емкость батареи электропитания в ампер-часах равна произведению предельного тока на продолжительность разрядки. Например, если батарея может давать ток силой 3 А в течение 20 ч, то ее емкость равна 60 А?ч.

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Химические источники тока (электрохимические генераторы, ЭХГ) преобразуют энергию химической реакции в электрическую. Реакция протекает с потреблением активных материалов внутри элемента. Когда такие материалы расходуются полностью, ЭХГ теряет способность давать электрический ток. Химические источники тока делятся на первичные и вторичные. Первичные источники не перезаряжаются, т.е. израсходованные активные материалы в них не могут быть регенерированы или заменены, и батарею электропитания приходится выбрасывать. Вторичная (аккумуляторная) батарея может быть перезаряжена. Израсходованные активные материалы в ней могут быть регенерированы, и такая батарея электропитания допускает многократное повторное использование. Топливный элемент (см. ниже) теоретически имеет неограниченный срок службы, поскольку в нем пополняется израсходованный активный материал (топливо), а продукты реакции выводятся.

До Второй мировой войны первичные ЭХГ использовались обычно в тех случаях, когда требовались источники тока малой мощности, а вторичные - при большой потребляемой мощности. В настоящее время в распоряжении конструктора переносного электрооборудования имеется широкий спектр первичных и вторичных источников тока

Во всяком ЭХГ имеются два электрода (положительный и отрицательный) и химическое вещество, называемое электролитом, в которое погружены эти электроды. В ЭХГ с наливными элементами используется жидкий электролит, а в т. н. сухих ЭХГ - пастообразный. В ЭХГ обоих типов должно быть достаточно жидкости для протекания химической реакции.

ПЕРВИЧНЫЕ ЭХГ

Стаканчиковые элементы. Стаканчиковые элементы, название которых говорит об их конструкции, применяются главным образом в карманных фонарях и радиоприемниках.

Сухой элемент Лекланше. Большинство первичных ЭХГ, выпускаемых в настоящее время промышленностью, относятся к сухим батареям электропитания. Около 25% сухих батарей выполнены на основе марганцово-цинкового элемента Лекланше - одного из первых наливных элементов. В сухом элементе Лекланше имеется графитовый положительный электрод, окруженный электролитом в виде смеси диоксида марганца, графитового порошка, хлорида аммония, хлорида цинка и воды. Эта смесь служит также деполяризующим агентом, предотвращающим образование газообразного водорода внутри элемента. Если не предотвратить образование водорода, то под давлением газа батарейка раздувается, в результате чего нарушается ее герметичность и из нее вытекает электролит. Электролит и графитовый электрод находятся в тонкостенном цинковом стаканчике, который, выполняя функции защитного корпуса, служит также отрицательным электродом батарейки.

ГРАФИТОВО-ЦИНКОВЫЙ СУХОЙ ЭЛЕМЕНТ с графитовым положительным электродом, пастообразным электролитом и деполяризующей смесью в цинковом стаканчике, который служит отрицательным электродом. 1 - изолирующая прокладка; 2 - бесшовный цинковый стаканчик (отрицательный электрод); 3 - изолированная металлическая оболочка; 4 - пористый разделительный стаканчик; 5 - графитовый стержень (положительный электрод); 6 - деполяризующая смесь; 7 - пастообразный электролит; 8 - пространство для расширения; 9 - запрессованные прокладки; 10 - полимерный герметик; 11 - металлическая крышка; 12 - изолирующая прокладка; 13 - металлический колпачок.

В элементе Лекланше электричество вырабатывается за счет химического взаимодействия электролита с цинковым электродом. При подключении к зажимам батарейки внешней нагрузки, скажем лампочки карманного фонарика, через лампочку начинает проходить ток от цинкового электрода к графитовому. Ток не прекращается, пока не растворится почти весь цинк. После этого батарейка теряет работоспособность, и ее необходимо заменить.

Щелочной марганцово-цинковый сухой элемент. Щелочной марганцово-цинковый сухой элемент отличается от сухого элемента Лекланше главным образом тем, что в нем в качестве электролита используется высокоактивная щелочь КОН (гидроксид калия, едкое кали). В щелочном элементе примерно вдвое больше активных веществ, чем в элементе Лекланше, и он очень подходит для многих устройств со сравнительно большой потребляемой мощностью, таких, как лампы-вспышки фотоаппаратов, вращательные электроприводы и мощные стереофонические звуковые системы.

Щелочные элементы применяются примерно в 50% бытовой электронной аппаратуры.

Цинкхлоридный сухой элемент. Цинкхлоридные батарейки в настоящее время примерно на 25% удовлетворяют потребность в источниках тока для жестких и сверхжестких условий эксплуатации. Они имеют такие же характеристики, как и у элементов Лекланше, но их емкость на ~40% больше. Кроме того, вероятность протечки в них намного меньше. По рабочим характеристикам и стоимости цинкхлоридные батарейки мало отличаются от щелочных и очень хорошо подходят для ламп-вспышек и радиоприемников.

Кнопочные батарейки. В связи с большим спросом на миниатюрные источники тока были разработаны кнопочные (таблеточные) ЭХГ. Диаметр такой батарейки составляет 6-25 мм, толщина - от 1,5 до 12 мм. Срок службы кнопочных батареек нередко больше, чем у обычных стаканчиковых.

Многоэлементные ЭХГ. И стаканчиковые, и кнопочные элементы используются в многоэлементных ЭХГ. Такие батареи электропитания обычно имеют квадратную или прямоугольную форму в плане. Из плоских "галетных" элементов легко составляются пакеты. В многоэлементных сухих ЭХГ чаще всего применяются первичные элементы Лекланше, цинкхлоридные и щелочные первичные элементы.

ВТОРИЧНЫЕ ЭХГ

Вторичные ЭХГ (электрические аккумуляторы) перезаряжаются пропусканием постоянного тока в направлении, противоположном направлению тока в режиме разрядки. При этом активные соединения в элементе восстанавливаются в результате обратной химической реакции.

Свинцовый аккумулятор.

Свинцовый аккумулятор - самый распространенный в настоящее время. Его положительным электродом служит свинцовая решетка с ячейками, заполненными пастообразным пероксидом (перекисью) свинца PbO2. Отрицательный электрод, той же формы, несколько тоньше, а его ячейки заполнены пастой из губчатого свинца. Каждый элемент содержит много таких пластин обоих видов. Группы чередующихся электродных пластин разделены изолирующими перегородками из дерева, стекла, пластмассы или резины. Вся сборка, погруженная в электролит (разбавленный раствор серной кислоты), представляет собой один гальванический элемент. Из нескольких элементов, соединенных последовательно, составляется батарея. ЭДС одного элемента равна 2 В. Состояние свинцового аккумулятора оценивается путем измерения относительной плотности электролита. Непосредственно после зарядки она составляет примерно 1,26, а по мере разрядки понижается почти до 1,0 (это объясняется тем, что серная кислота образует химическое соединение с материалом пластин, давая в остатке воду).

БАТАРЕЯ СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ автомобильного типа с положительным электродом из пероксида свинца, отрицательным - из металлического свинца и электролитом из разбавленной серной кислоты в эбонитовом корпусе. 1 - эбонитовый корпус; 2 - цельная крышка корпуса; 3 -положительный зажим; 4 - указатель уровня электролита; 5 - вентиляционно-заливная пробка; 6 - отрицательный зажим; 7 - перегородка; 8 - соединитель; 9 - скрепляющая скоба; 10 - отрицательная пластина; 11 - разделительная прокладка; 12 - положительная пластина; 13 - отстойная камера.

Свинцовая батарея недорога, имеет довольно большую ЭДС и хорошо сохраняет заряд. Она способна без повреждения давать кратковременно большой ток и очень хорошо подходит для пуска автомобильных двигателей. Ее можно сотни раз перезаряжать без ухудшения рабочих характеристик. Однако она приходит в негодность, если ее надолго оставляют разряженной.

Железо-никелевый аккумулятор. Положительным электродом такого аккумулятора, предложенного Т.Эдисоном, служит оксид никеля, отрицательным - железо, электролитом - гидроксид калия. В процессе разрядки оксид никеля превращается в никель, железо - в оксид железа, а электролит не меняется. Такой аккумулятор легче свинцового и не повреждается при хранении в разряженном состоянии. Его ЭДС меньше, чем у свинцового, и несколько понижается в ходе разрядки, в среднем составляя ок. 1,2 В. С учетом своего большого срока службы и сравнительно низких потерь он применяется главным образом в промышленном оборудовании.

Никель-кадмиевый аккумулятор. Никель-кадмиевый аккумулятор допускает многократную перезарядку, сохраняет почти постоянной ЭДС в процессе разрядки и более неприхотлив, чем все другие аккумуляторы. Он хорошо работает при пониженных температурах и может быть герметизирован. Последнее означает, что его можно переворачивать вверх дном, не боясь пролить электролит; он не требует периодического добавления воды. Такие аккумуляторы обладают достоинством многократной перезарядки.

В заряженном состоянии положительным электродом служит пероксид никеля, отрицательным - металлический кадмий. Электролит - гидроксид калия. Средняя ЭДС аккумулятора ок. 1,2 В. Никель-кадмиевые аккумуляторы широко применяются в малых переносных бытовых электроприборах в тех случаях, когда желательна возможность перезарядки. В качестве автомобильных они слишком дороги.

Другие перезаряжаемые ЭХГ. Здесь мы скажем несколько слов о высокотемпературных аккумуляторах, полимерных аккумуляторах и топливных элементах.

Высокотемпературные аккумуляторы работают при 300-400° C; в качестве отрицательного электрода в них обычно используется металлический натрий или литий, в качестве положительного - сера, хлор или сульфид железа. Они отличаются высокой плотностью мощности и энергии (в 2-4 раза больше, чем в свинцовых аккумуляторах) и, в перспективе, низкой стоимостью. Их широкому применению препятствуют значительное тепловыделение и коррозия.

Полимерные аккумуляторы. В качестве возможного материала для электродов аккумуляторов исследуются такие недорогие и легкие электропроводящие полимеры, как полиацетилен и полианилин. Перезаряжаемые БЭ с проводящими пластмассовыми электродами в соответствующем электролите смогут, по-видимому, успешно конкурировать как со свинцовыми, так и с никель-кадмиевыми аккумуляторами.

Топливные элементы. Топливные элементы отличаются от других ЭХГ в двух важных отношениях. Во-первых, они могут работать в непрерывном режиме без простоев для перезарядки, так как их активный материал подводится из внешнего источника. Во-вторых, их электролит в процессе работы не изменяется. Топливные элементы в принципе более экономичны и дешевы, чем другие ЭХГ, так как их активный материал представляет собой обычное топливо, а не металл особой очистки. Их теоретический КПД близок к 100%.

Топливные элементы ожидает ряд применений, в которых важны их малые размеры и высокая экономичность. Они могут использоваться как автономные источники тока для автомобилей и катеров, электрогенераторы для индивидуальных домашних хозяйств, переносные силовые блоки для инструментов и другого оборудования.

В топливных элементах одного из наиболее перспективных типов в качестве топлива используется газообразный водород, в качестве окислителя - кислород, а электролитом служит гидроксид калия. Водород и кислород вводятся в элемент через пористые трубчатые электроды и вступают в реакцию окисления, образуя воду. С электродов снимается возникающее при этом напряжение. Исследуются возможности работы топливных элементов на еще более дешевых энергоносителях, таких, как бензин и природный газ.

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ

Солнечные (фотоэлектрические) батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. По своему принципу действия они, в общем, аналогичны транзистору. Обычно их изготавливают из полупроводникового кремния, легированного небольшими добавками таких примесей, как мышьяк и бор. Типичные размеры солнечных элементов 20?10?0,4 мм. Солнечный элементарный источник тока можно представить в виде двух сложенных тонких листков, соединенных между собой так, что образуется p-n-переход. В одном листке примесными являются атомы бора, в другом - мышьяка. При освещении элемента между двумя слоями кремния, как между электродами обычной батареи электропитания, возникает ЭДС. Но в кремниевой солнечной батарее ЭДС существует, пока на нее падает солнечный свет. Когда она вырабатывает электрический ток, в ней не происходит никаких химических превращений. Поэтому ее срок службы не ограничен. Некоторые солнечные батареи преобразуют в электроэнергию ок. 1/7 энергии солнечного света.

ЯДЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

В ядерном реакторе атомной электростанции за счет энергии ядерного топлива выделяется тепло, которое используется для получения пара, приводящего в действие электрогенератор. Ядерный же источник тока преобразует ядерную энергию непосредственно в электрическую.

Ядерная батарея электропитания состоит из радиоактивного источника, испускающего электроны с большой кинетической энергией, коллектора, собирающего эти электроны, и изолятора, сквозь который электроны проходят на пути к коллектору. Зажимы, предусмотренные на коллекторе и радиоактивном источнике, служат внешними выводами батареи.

Накапливаясь на коллекторном электроде, отрицательно заряженные электроны заряжают и его. Поскольку электроны уходят с электрода радиоактивного источника, на нем остается положительный заряд. В результате между двумя электродами возникает ЭДС. Если к двум зажимам присоединить провод, то по нему пойдет ток от коллектора к радиоактивному источнику, так же, как и в случае ЭХГ.

Ядерные батареи электропитания отличаются очень большими ЭДС, которые можно понижать при помощи электросхем деления напряжения. Такие генераторы тока применяются на искусственных спутниках Земли и межпланетных станциях, а также в труднодоступных точках на Земле для питания научной аппаратуры, длительное время работающей автоматически.

Всё выше перечисленное просмотрев можно выбрать оптимальный вариант.

Мой взгляд остановился на топливных элементах, по этому рассмотрим их по подробнее:

Честь создания первого топливного элемента принадлежит англичанину Уильяму Гроуву (William Grove). Построенный им в 1839 году прибор выглядел, был довольно прост: два электрода размещались в камере, в которую подавались под давлением ограниченные порции чистого водорода и кислорода. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам электродов (в простейшем случае они выполняются из угля), в камере происходил не взрыв, а медленная реакция с выделением тепла, воды и, самое главное, образованием разности потенциалов между электродами.

Попросту говоря, таинственный ящик начинал вырабатывать электрическое напряжение. Дальнейшие исследования выявили преимущества такого необычного элемента перед простыми химическими источниками тока (батарейки, аккумуляторы): это в 5-10 раз большая энергоемкость, а также отсутствие изменений материала электродов. Топливный элемент теоретически может работать неограниченно долго - необходимо лишь регулярно подавать исходные газовые компоненты. Вместе с тем, несмотря на кажущуюся простоту, это весьма капризное и дорогое устройство, грозящее попросту взорваться при малейших небрежностях в конструкции. А потому использовать его в практических целях впервые начали лишь в 60-х годах XX века: уже на первых космических кораблях для длительных полетов в качестве главной энергоустановки устанавливались именно топливные элементы.

Впрочем, прогресс не стоял на месте и к 80-м годам XX века были разработаны множество конструкций топливных элементов, отличавшихся в лучшую сторону, прежде всего, безопасностью: ученые нашли способ изменить конструкцию ТЭ (применением других материалов для электродов, применением электролита, а также добавлением катализаторов, стимулирующих протекание главной реакции) так, чтобы использовать вместо чистого водорода содержащие его вещества - углеводороды (природный газ, спирты). Родились щелочные (Аlkaline Fuel Cell, AFC), твердотельные (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC), полимерные (PEFC), фосфоро-кислотные (PEFC) и даже алкогольные (Direct Alcohol Fuel Cell, DAFC) топливные элементы. Рабочая температура для разных ТЭ варьируется от 50 до 1000° С, а КПД некоторых из них может достигать 80% - если вместе с электричеством использовать и выделяемое тепло.

Обычная проблема, которая стоит перед разработчиками переносных цифровых устройств, заключается в необходимости отыскания автономного источника питания, который смог бы обеспечить приемлемое время работы устройства без подзарядки от сети. И, возможно, дело ограничилось бы усовершенствованиями обычных аккумуляторов, если бы проблема эта, обычно очерченная всего двумя факторами (энергопотреблением самого устройства и энергоемкостью источника питания) не была обострена фактором третьим: функциональность мобильных устройств в последние годы растет просто взрывными темпами и приближается к функциональности обычных, стационарных решений. Соответственно этому возрастает и то время, которое проводит пользователь со своим устройством. Поэтому альтернатива аккумуляторам в виде топливных элементов пришлась как нельзя кстати. А поспособствовали превращению ТЭ в элементы питания миниатюрных устройств столь же удачно ко времени подвернувшиеся исследования в области углеродных нанотруб.

Говоря точнее, в топливных элементах предложили использовать разновидность углеродных нанотруб под названием нанохорнов, открытых в 1998 году. Эти напоминающие миниатюрные рупоры образования (размерами около 100 нм) так же, как и нанотрубы, состоят из атомов углерода, но, будучи сгруппированы вместе, образуют пористую поверхность огромной эффективной площади. Напылив на нанохорны катализатор (платину), можно изготавливать из получившегося материала электроды, легко пропускающие сквозь себя газы и электролит, и при этом (благодаря заключенным в полостях нанохорнов молекулам катализаторов) стимулирующие протекание химических реакций.

Попутно обнаружилась интересная и до сих пор не получившая четкого объяснения особенность "нанохорновых" электродов: оказывается, напыленные на них частицы платины получаются размером в два раза меньше, чем если бы платину напыляли на обычный электрод из угля. Большая эффективная площадь и чрезвычайно тонкие зерна катализатора обеспечили новым топливным элементам непревзойденную производительность. Первый рабочий прототип топливного элемента с использованием нанохорнов (типа PEFC, рабочая температура 85° С) для портативной аппаратуры, сконструированный в августе 2001 года исследователями из корпорации NEC, обладает энергоемкостью в 10 раз большей, нежели сравнимые по габаритам литий-ионные аккумуляторы. Таким образом, будучи единожды заправленным, он в состоянии обеспечивать электричеством типичный ноутбук или наладонник в течение нескольких дней.

Впрочем, похожих на этот рапортов об успехах вы и сами, наверняка, уже читали множество. Тем не менее, NEC называет в качестве примерного срока коммерциализации своей разработки лишь 2003 - 2005 год. А другие разработчики вообще предпочитают умалчивать о конкретных датах. В чем же дело.

Главная проблема, осложняющая жизнь миниатюрным элементам типа PEFC (над которыми кроме NEC активно работают, например, в Sony) - это их полная неприспособленность к использованию в качестве топлива чего-либо кроме чистого водорода. Элемент NEC работает на метаноле, но его преобразование в водород требует наличия промежуточной стадии (извлечения водорода из метанола), что приводит к загрязнению электродов (а точнее - катализатора) углеродсодержащими веществами и отрицательно сказывается на ресурсе работы элемента. Кроме того, еще не окончены работы по поиску наилучшего материала для электродов.

Нанохорны были открыты всего шесть лет спустя после открытия углеродных нанотруб, и исследователи надеются, что это не последнее открытие в данной области: если удастся выстроить из атомов углерода более хитроумные поверхности, чем у нанохорнов, производительность топливных элементов можно будет увеличить еще больше.

Не лучше обстоят дела и с элементами типа DAFC. Создающая собственный элемент такого типа (рабочая температура около 100° С) для питания мобильной цифровой аппаратуры Motorola вот уже второй год ограничивается лишь отчетами о достигнутых успехах, умалчивая о сроках выпуска коммерческой версии продукта. Основная проблема здесь та же, что и в случае с PEFC - загрязнение электродов побочными продуктами реакции.

И все же исследователи смотрят в будущее с оптимизмом. По общему мнению, ближайшие годы должны принести сразу несколько замечательных прорывов в применении топливных элементов. Даже если решить для миниатюрных элементов проблему загрязнения полностью не удастся (для более крупных по размерам, высокотемпературных элементов она уже решена), они смогут использоваться как элементы питания с ограниченным ресурсом, но более дешевые, чем обычные аккумуляторы. Помимо этого, топливные элементы войдут в нашу повседневную жизнь и в другом виде - более крупных, стационарных установок, могущих обеспечить электричеством целый небольшой дом.

Один из типичных проектов по разработке таких элементов - HomeGen, ведомый компанией General Electric. Представляющий собой средних размеров шкаф, этот элемент вырабатывает мощность до 35 кВатт (тип PEFC, КПД около 30%), работая на дешевом, повсеместно доступном углеводородном топливе - природном газе. Как и все стационарные топливные элементы, он обладает еще одним преимуществом ТЭ, оставшимся незамеченным при рассмотрении миниатюрных источников - высокой экологичностью. Фактически, топливный элемент, работающий на природном газе, производит в качестве отходов только лишь водяной пар и небольшое количество оксидов углерода (сравнительно безвредные угарный и углекислый газы). В настоящее время HomeGen и несколько аналогичных разработок проходят последние испытания. Дело за малым - постановкой на поток.

ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ. Эти элементы непрерывно снабжаются кислородом и водородом для получения электрической энергии в результате постоянно поддерживающейся химической реакции.

В изображенном топливном элементе с кислым электролитом водород подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры в материале электрода. При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:

Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в электролит и также реагирует на поверхности электрода с участием катализатора. При соединении его с ионами водорода и электронами, которые поступают из внешней цепи, образуется вода:

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ИОНООБМЕННОЙ МЕМБРАНОЙ также работает на водороде и кислороде, но вместо жидкого электролита используется полимерная мембрана.

В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это концентрированные гидроксиды натрия или калия) протекают сходные химические реакции. Водород проходит через анод и реагирует в присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами гидроксила (OH-) с образованием воды и электрона:

На катоде кислород вступает в реакцию с водой, содержащейся в электролите, и электронами из внешней цепи. В последовательных стадиях реакций образуются ионы гидроксила (а также пергидроксила O₂H-). Результирующую реакцию на катоде можно записать в виде:

Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет электролит. В любом топливном элементе часть энергии химической реакции превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента.

Элементы на водородном топливе. В этом типичном описанном выше элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды. Высокая плотность тока достигается в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250° С) и высоком давлении. Элементы, использующие водородное топливо, получаемое при переработке углеводородного топлива, например природного газа или нефтепродуктов, по-видимому, найдут наиболее широкое коммерческое применение. Объединяя большое число элементов, можно создавать мощные энергетические установки. В этих установках постоянный ток, вырабатываемый элементами, преобразуется в переменный со стандартными параметрами.

Новым типом элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами (рис. 2). В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и может быть легко удалена.

Топливные элементы довольно эффективны и их КПД очень значителен. Коротче на мой взгляд они вполне подходят для работы нашей пушки! Можно конечно использовать ядерные батареи, но как бы плохо не стало от них J.

Теперь осталось только преобразовать наше напряжение до необходимого. Схем преобразователей много, бывают сложные и не очень, надёжные и не очень.

Одна из схем

Катушку матаеш эксперементально первичка толстым проводом 1-2 мм витков 7-10. Вторичка витков 1000-2000 не матал не знаю. Наматай немного и замерь потом помнож до нужного колличества.

Есть другая схема преобразователя. Она немного посложнее, но и понадёжней. Её можно вообще использовать как источник для бытовой аппаратуры.

К данному преобразователю могут подключаться любые бытовые приборы мощностью до 100 Вт (при использовании более мощного трансформатора ее можно увеличить).

Предложенная схема преобразователя работает на частоте 50Гц и имеет защиту от перегрузки по току. Кроме того, данный преобразователь дает на выходе форму сигнала, более приближенную к синусу, что снижает уровень высокочастотных гармоник (помех).

Устройство собрано на специально предназначенной для импульсных источников питания микросхеме 1114ЕУ4 (импортный аналог TL494CN или TL494LN). Это позволяет уменьшить число применяемых деталей и сделать схему довольно простой.

Внутри микросхемы имеется автогенератор со схемой для получения выходных импульсов с широтно-импульсной модуляцией, а также ряд дополнительных узлов, обеспечивающих ее расширенные возможности. Подробно работа микросхемы описана в справочной литературе.

Выходные ключи микросхемы рассчитаны на ток не более 200 мА, и, чтобы управлять большей мощностью, выходные импульсы поступают на базу ключевых транзисторов VT1, VT2. Диод VD1 предотвращает повреждение схемы при ошибочной полярности подключения питания (перегорит только входной предохранитель FU1).

Налаживание устройства начинается при отключенном трансформаторе с установки частоты задающего генератор 100 Гц с помощью времязадающей цепи из резистора R1 и конденсатора С4. Так как микросхема имеет двухтактный выход, выходная частота равна половине частоты автогенератора (50 Гц на выходах DA1/8 и DA1/11). Резистором R7 настраиваем форму выходных импульсов микросхемы в соответствии с диаграммой.

После этого подключаем трансформатор, и при напряжении питания схемы от 12-вольтового источника резистором R7 выставляется номинальное напряжение во вторичной цепи 220 В (измерять стрелочным измерительным прибором). Это делается при подключенной нагрузке мощностью 25...60 Вт.

Цепь из резистора R12 и конденсатора С9 может потребовать подбора номиналов, для того чтобы убрать выбросы в трансформаторе по фронтам в момент переходных процессов при коммутации тока.

Защита по току на 10 А устанавливается резистором R10. Это позволяет предотвратить повреждение преобразователя в случае перегрузки или короткого замыкания по выходу, так как схема начинает снижать выходное напряжение, переходя в режим стабилизации тока.

Преобразователь не имеет обратной связи по выходному напряжению, так как опыт практической эксплуатации показывает, что оно незначительно меняется при изменении мощности подключенной нагрузки и не выходит за рамки допустимого диапазона 190...240 В.

Преобразователь потребляет на холостом ходу не более 1 А, а с нагрузкой - ток увеличивается пропорционально мощности.

Транзисторы устанавливаются на радиатор с площадью поверхности не менее 300 кв. см.

Трансформатор Т1 придется изготовить самостоятельно. Использован магнитопровод типа ПЛМ27х40-73 или аналогичный. Обмотки 1 и 2 содержат по 14 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 2 мм; обмотка 3 содержит 700 витков провода диаметром 0,5 мм. Обмотки 1 и 2 должны быть симметричными - это условие легко выполняется при их одновременной намотке (сразу двумя проводами).

В схеме применены детали: конденсаторы С1, С2 типа К52-1, СЗ...С8 - типа К10-17, С9 - К73-17В; постоянные резисторы R9 типа С5-16МВ, R12 - С5-5. а остальные типа МЛТ; подстроечный R7 типа С5-2.

Ох блин… прям попутно придётся разобраться во всех примудростых электроники. Да и ладно, хрен с ним если не получится полноценная гаусска, так хоть в голове останется чтото! JJJ

Можно всё упростить до безобразия

Но об устойчивости говорить сложно!

Коротче бля, тут и так всё ясно! Построив генератор и выпрямив подадим на наши кондёры. Купим все детальки и найдём необходимого диаметра трубку. Стрельба одноступенчатой гауской у меня заключалась по пустым пивным банкам, помидором, яблокам, бутылкам и прочим предметам домашнего быта. Бутылки разрывало в клочья, банки на вылет, помидоры на вылет. Прям как воздушка блин!

Я конечно всё упростил и навалял генератор по принципу обычного мультивибратора, того, который все собирали в децтве. Выходник полевой и всё было чики пуки!

Автор: jab - http://www.gauss2k.narod.ru

Содержание

Составитель: Патлах В.В.
http://patlah.ru

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.

ВНИМАНИЕ !
Запрещается любая републикация, полное или частичное воспроизведение материалов данной статьи, а также фотографий, чертежей и схем, размещенных в ней, без предварительного письменного согласования с редакцией энциклопедии.

Напоминаю! Что за любое противоправное и противозаконное использование материалов, опубликованных в энциклопедии, редакция ответственности не несет.